基于智能数控系统的工业APP平台测试床介绍

工业互联网案例 基于智能数控系统的工业 APP 平台测试床介绍 — 2 — 引言/导读

沈机（上海）智能系统研发设计有限公司（以下称“沈机智能”），由沈阳机床集团于 2015 年投资创建，致力于面向机床行业的运动控制技术及云制造技术的产品研发和技术储备。沈机智能前身为沈阳机床（集团）设计研究院有限公司上海分公司（以下称“沈阳机床上海研究院”），历时 7 年完成了 i5 数控系统的技术研发及产业化，并推出自主品牌伺服驱动器（HSHA 系列产品）和智能工厂管理软件（WIS 系统软件）。 沈机智能在完成 i5 运动控制核心技术的研发与 i5 数控系统的产业化之后，进一步提出社会化的开发思路，将 i5 运动控制核心技术进行模块化封装，以平台形式向数控行业产业链上下游的参与方（包括大中小型制造企业、装备供应商、个体开发者、创客等）开放，为数控技术在各个垂直领域的应用与推广打造通用的工业 APP 开发、应用与分享的平台。该平台于 2017 年 11 月向全世界发布，即被业界所熟知 i5OS 工业操作系统（简称为 “i5OS”）。

一、 关键词 i5OS、运动控制、工业 APP 平台、安全 二、 发起公司和主要联系人联系方式 沈机（上海）智能系统研发设计有限公司 — 3 —

三、 合作公司 智能云科信息科技有限公司 四、 测试床项目目标和概述 基于 i5 智能数控系统的工业 APP 平台测试床项目是围绕数控行业各个垂直领域对于智能化数控技术的需求而提出的云端协同解决方案。沈机智能基于自主知识产权的 i5 智能数控系统，向数控行业的装备制造商、大中小型制造企业、个体开发者、创客等提供运动控制底层技术支撑，以开放的接口和APP 开发平台，为其提供工业 APP 的开发、测试及应用环境，使其能够基于 i5 运动控制核心技术，快速开发各自领域内的工业 APP；同时， 测试床项目为成熟的工业APP 提供软件托管服务和交易商城，通过工业互联网平台为工业 APP 的交易、授权、应用与产权保护提供保障服务，促进工业 APP 在行业内分享与复用。本测试床项目的目标是以 i5 运动控制技术为基础，打造数控行业各个垂直领域通用 的工业 APP 开发与应用平台，帮助行业知识与诀窍以工业APP 的形式沉淀，形成各个细分行业（如激光雕刻、激光打标、锂电池加工、机械手控制等等，见图 1：i5OS 相关行业） 丰富的工业APP 库，并提供可靠的工业APP 交易服务，使行业知识和诀窍可在其相关的行业领域得到快速复用。

图 1 i5OS 相关行业 — 4 —

五、 测试床解决方案架构 (一) 测试床应用场景 本测试床解决方案适用于丰富的工业应用场景：包括以运动控制技术为核心的各个工业领域，如金属切削、激光雕刻、锂电池加工、机械臂控制等等，在各个细分领域内，本测试床解决方案都能为其提供底层的运动控制技术和构建本领域内工业 APP 的开发工具链、微服务组件，以及统一的运行环境和线上商城。

(二) 测试床重点技术 （正文 小四 宋体。行距 1.5 倍行距） （1） 面向云服务工业 APP 的数据接口协议（iPort 协议） 面向装备全生命周期服务（如设备健康度诊断、远程监控、预测性维护、资产管理等） 的工业 APP，需要采集大量的设备状态和过程数据，并进行及时的处理；然而工控系统因有限的 IT 资源，不能满足这种基于工业大数据采集和分析的服务型工业 APP。本测试床项目的重点技术之一是自主开发的数据接口协议（iPort），以满足数控装备到云服务平台 （本项目中为 iSESOL 工业云平台，亦能接入其他的云服务平台）之间的数据交互和边缘处理需求。数据接口协议（iPort 协议）作为数控系统和云服务平台之间的桥梁，具有以下几个方面的特点：（1）实现异构数据源的装备认证接入和数据采集（除了搭载 i5 数控 系统的机床以外，还兼容 FANUC、SIEMENS 等主流的数控系统）；（2）基于 VPN 加密通道，保障工业数据传输安全；（3）支持多种数据采集模式（如毫秒级的实时数据采集、非实 时的周期性采集等），具有消息订阅机制，以此建立工业 APP 丰富的应用场景。iPort 协议 支持两种联网模式：直连模式和间接（基于装备接入设施 iBox）模式如图 2 所示，图中搭载 i5 数控系统的机床装备可直接与云服务平台相连，并进行数据交互，其他非 i5 系统的机床装备能够接入iBox，并由iBox 间接与云服务平台连接。iBox 设备上部署了iPort 协议， 成为其他设备与云服务平台数据交互的中转站。 — 5 —

图 2 i5OS 数据接口协议（iPort）连接模式 iPort 协议架构如图 3 所示，基于 iPort 协议的通讯系统由 Agent、iBox 和 Machine 三个基本部分组成，分为两种应用模式：直连模式和间接模式（iBox 中转），图 3 中的名词解释如表 1。

图 3 iPort 协议架构 — 6 —

表 1 iPort 协议架构名词解释 术语名称 术语中文 术语解释 Agent 代理 靠近服务端（云服务平台或边缘服务器），向上兼容不同

的服务平台，代表服务端对设备认证授权，以及与设备进行交互。代理是服务端与设备通信的主要节点，根据部署的环境， 分云服务代理（Cloud Agent） 和边缘服务代理 （Box Agent）， 其 中 边 缘 服 务 代 理 部 署 在 接 入 设 施 （iBOX）中。 Adapter 适配器 向下兼容不同品牌的设备（Machine），用于连接代理和设

备，部署于设备或接入设施中。 Machine 设备 经过认证的设备与代理之间有连接机制，设备与代理的交

互不区分云服务代理或边缘服务代理。 iBox 接入设施 接入设施中部署有边缘服务代理，与云服务代理之间有连

接机制，同时边缘服务代理还完成设备与云服务代理之间的连接机制。边缘代理还可以连接支持其他通信协议的设 备，比如 OPC UA 设备。

（2） 工业 APP 封装技术 为增强工业APP 对不同运行环境的兼容性，本测试床项目采用开放式的开发框架，集成了多种主流的工业软件开发工具（如 Python，QT，Kiv 等），并进行统一的打包封装， 有效缩短开发时间。以 i5OS 测试床的开发工具 Kiv 为例，Kiv 框架由脚本解析引擎（负责解析脚本文件）、插件库（封装了工业知识的库文件）、图元（图形界面的控件）共同组成。 Kiv 框架基于对象容器技术来管理 UI 中各个图形控件，为开发者提供了图形化的 APP 开发工具。 （3）工业 APP 授权技术 工业APP 授权技术是为有效地保护工业APP 的知识产权而开发与应用，从技术层面保障工业 APP 的所有者通过授权机制来合理获得收益。工业APP 的授权模式分为多种模式， — 7 —

如按使用次数授权、按使用时间授权、按使用设备授权等等。授权机制由 i5OS 云端应用商城来统一管控。 i5OS 云端应用商城允许 APP 的使用者通过商城账户在线购买 APP，获取 APP 加密授权文件，授权文件的下发和加密采用了金融领域的防护技术，防止授权文件的破解和更改。完整的授权机制如图 4 所示。被授权的工业 APP 可以在手机等智能终端上被查询，并在被授权的指定设备上被使用。

(三) 技术创新性及先进性 图 4 工业 APP 授权机制 i5OS 测试床运动控制底层数据透明化，将i5 运动控制核心技术进行封装并形成模块， 供上层调用，既有效地保护了i5 核心技术的知识产权，又向社会共享了i5 运动控制技术， 需要指出的是，i5OS 为有研发能力的平台用户提供了一个完整的操作系统和开发工具平台。该测试床作为一个运动控制领域的开发性平台，具有以下几个方面重点的创新技术，从而 区别了一般的 Paas 平台。 （1）开放 其运动控制底层的相关技术i5OS 全部对社会开放，以接口的形式提供给APP 开发者， 使得运动控制技术得到整个社会化的共享。 （2）自主 — 8 —

底层运动控制技术由 i5 研发团队历经 5 年自主研发形成。攻破运动控制底层关键技术，例如：轴插补运动控制、龙门轴控制、五轴 RTCP 技术、机床热误差补偿等等。 （3）安全 APP 安装包和授权文件的发放经过金融级别的区块链加密技术保护，应用商店集成第三方工业安全品牌，通过白名单形式安装，双重保障开发者的知识产权。 （4）可控 APP 应用开发方便、简单，需经过专业测试人员通过之后才可上架到 i5OS 应用商城中，并通过购买授权的方式获取。通过商业模式确保开发者的利益。

(四) 测试床解决方案架构

图 4 测试床系统架构图 （1）应用程序层 — 9 —

i5OS 测试床不仅仅是操作系统，也包含了许多应用程序，诸如面向数控行业的 CNC、面向激光行业的应用、单机自动化应用、机器人应用、示波器、热误差补偿、等应用程序。这些应用程序可以面向不同的行业领域，并且通过功能购买组合可以搭载不同的设备性能， 这点不同于其他系统固化在系统内部的软件，更加灵活和个性化，满足不同用户的需求。 （2）应用通信框架层 应用程序框架层是我们从事 i5OS 开发的基础，很多核心应用程序也是通过这一层来实现其核心功能的，该层简化了组件的重用，开发人员可以直接使用其提供的组件来进行快速的应用程序开发，也可以通过继承来实现个性化的拓展。 a） iOS/Andriod/Windows 通信接口 管理 i5OS 和其他操作系统的远程访问端口； b） 应用通信 使得不同应用程序之间存取或者分享数据； c） 应用图元 构建应用程序的基本组件； d） 插件框架 软件框架中业务模型构建的基本组成； e） 脚本解析 对 UI 控件解析和为了解决代码冗余获取插件的属性或方法； f） 权限管理框架 管理使用者对系统的操作权限； g） iport3.0 管理应用程序和云平台数据共享和交互； h） iAUTH 基于区块链技术的授权管理平台； i） i5 Console 管理应用程序上线和发布平台； j） 高频数据采集 针对特定事件下的机床高频数据采集接口；